Chương 1: Giới thiệu về bán dẫn pdf

- Đôi với vật liệu đấn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạo thành electron tự do và đạt đến trạng thái bê

Trang 1

GIOI THIEU MON HOC

Tên môn hoc : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Phân phối giơ : 42 tiết

Số tín chỉ : 2 — Kiểm tra: 20% Thi: 80% (trac nghiệm)

GV phu trach : Lé Thi Kim Anh Email : Itkanh@hcmut.edu.vn Tại liệu tham khao:

-Theodore F Bogart, JR - Electronic devices and Circuits

2nd Ed , Macmillan 1991

- Millman & Taub - Pulse digital and switching waveforms

McGraw-Hill

- Savant, Rodent, Carpenter - Electronic Design — Circuits and Systems

- Lé Phi Yén, Nguyén Nhw Anh, Lwu Phu

- Ky thuật điện tư

NXB Khoa học ky thuật

Trang 2

Chương Ï ; ; ;

GIOI THIEU VE BAN DAN

1.1 Vat liéu ban dan

- Dựa trên tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn không

phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật

liệu dẫn điện tốt

- Đôi với vật liệu đấn điện, lớp vỏ ngoài cùng của

nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng

giải phóng các electron này để tạo thành electron tự

do và đạt đến trạng thái bên vững

Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 2

Trang 3

- Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng øiữ lại các

electron lớp ngoài cùng của nó để có trạng thái bên

- Các chất bán dẫn dién hinh nhu Gecmanium

(Ge), Silicium (Si), Là những nguyên tổ thuộc

nhóm 4 năm trong bảng hê thông tuân hoàn

Trang 4

Vĩ dụ về nguyên tw ban dan Silicon (Si)

Nguyên tir ban dan Si, cé 4 electron ở lớp ngoài cùng

Trang 5

1.2 Dong dién trong ban dan

- Trong vật liệu dẫn điện có rất nhiều electron tự do

- Khi ở điều kiện môi trường, nếu được hấp thu một năng lượng nhiét cac electron nay sé duoc giai

phóng khỏi nguyên tư

- Khi cac electron này chuyên động có hướng sẽ sinh

Trang 6

- Tuy nhiên, năng lượng cân dé giải phong cac electron

này lớn hơn đối với vật liệu dẫn điện vì chúng bị ràng buộc bởi các liên kết hóa trị

Giản đồ năng lượng

- Đơn vị năng lượng qui ước trong các giản đô này là

electronvolt (eV)

- M6t electron khi muốn trở thành một electron tự do

phải hập thu đủ một lượng năng lượng xác định

Trang 7

- Năng lượng này phụ thuộc vào dạng nguyên tir va

lớp mà electron này đang chiêm

- Năng lượng này phải đủ lớn để phá vỡ liên kết hóa

trị øiữa các nguyên tử

- Thuyết lượng tử cho phép ta nhìn mô hình nguyên

tử dựa trên năng lượng của nó, thường được biểu diễn dưới dạng giản đô năng lượng

Trang 8

- Các electron cũng có thé di chuyển từ lớp bên trong đến lớp bên ngoài trong nguyên tử băng cách nhận thêm một lượng năng lượng băng với chênh lệch năng lượng øiữa hai lớp

- Ngược lại, các elecfron cũng có thê mât năng lượng

và trở lại với các lớp có mức năng lượng thầp hơn

- Các electron tự do cũng vậy, chúng có thể giải

phóng năng lượng và trở lại lớp vỏ ngoài cùng của

nguyên tử

Trang 9

- Khi nhin trén mot nguyén tu, cac electron trong

nguyên tử sẽ được sắp xếp vào các mức năng lượng

rời rạc nhau tùy thuộc vao lop va lop con ma electron

nay chiém Cac mirc nang lwong nay gidng nhau cho

mọi nguyên tử

- Tuy nhiên, khi nhìn trên toàn bộ vật liệu, mỗi

nguyên tử còn chịu ảnh hướng từ các tác động khác nhau bên ngoài nguyên tử Do đó, mức năng lượng

của các electron trong cùng lớp và lớp con có thể

không còn băng nhau giữa các nguyên tử

Trang 10

Gian do vung nang lwong cua mot so vat liéu

Trang 11

Nhan xet

- S6 electron tự do trong vật liệu phụ thuộc rất nhiêu

vào nhiệt độ và do đó độ dẫn điện của vật liệu cũng

vậy

- Nhiệt độ càng cao thì năng lượng của các electron

càng lớn

- Vật liệu bán dẫn có hệ sô nhiệt điện trở âm

- Vật liệu dẫn điện có hệ số nhiệt điện trở dương

Trang 12

(V) (ì (ì -Lo trong duoc qui ước là

hat dan mang dién tich

dương

Trang 13

- Dong di chuyén c6 huéng cia 16 tréng duoc goi 1a dòng lỗ trồng trong bán dẫn

- Khi lỗ trồng di chuyền từ phải sang trái cũng đông nghĩa với việc các elecftron lớp vỏ ngoài cùng di chuyển từ trái sang phải

- Có thể phân tích dòng điện tronø bán dẫn thành hai dòng electron: dòng electron tự do va dòng electron ở lớp vo ngoài cùng

- Nhưng để tiện lợi người ta thường xem như dòng điện trong bán dẫn là do dòng electron và dòng lỗ trồng gay ra

Trang 14

- Ta thường øọi electron tw do va 16 trong la hat dan

vi chúng có khả năng chuyền động có hướng để sinh

ra dòng điện

- Khi một electron tự do và lỗ trồng kết hợp lại với nhau trong vùng hóa trị, các hạt dẫn bị mất đi, và ta goi quá trình này là quá trình tdi hop hat dan

- Việc phá vỡ một liên kết hóa trị sẽ tạo ra một

electron tự do và một lỗ trồng, do đó số lượng lỗ

trồng sẽ luôn băng số lượng electron tự do Bán dẫn này được gọi là bán dẫn thuan hay ban dan nội tại (intrinsic)

Trang 15

n,: mật đô eletron (electron/cm”)

p;: mật đô lỗ trông (lỗ trông/cm”)

Trang 16

1.2.2 Dong trot

- Khi mot hiéu dién thé duoc dat lén hai dau ban

dẫn, điện trường sẽ làm cho cac electron tu do di

chuyên ngược chiêu điện trường và các lỗ trồng di chuyền cùng chiêu điện trường

- Cả hai sự di chuyên này gây ra trong bán dẫn một dòng điện có chiêu cùng chiêu điện trường được gọi

la dong troi (drift current)

Trang 17

- Dòng trôi phụ thuộc nhiều vào khả năng di

chuyển của hạt dẫn trong bán dẫn, khả năng di

chuyển được đánh giá băng độ linh động của hạt

dẫn Độ linh động này phụ thuộc vào loại hạt dẫn

cũng như loại vật liệu

u=0.14 (m2/V.s) | u.=0.38 (m2/V.s) u,=0.05 (m?/V.s) | p,=0.18 (m?/V.s)

Trang 18

- Vận tộc của hạt dẫn trong điện trường E:

Trang 19

- Mat do dong dién J:

J: mật độ dòng điện (A/m2) ; E cường đồ điện trường(V/m)

n, p: mat d6 electron tw do va 16 trong, (hat dan/m3)

dn Wp: don vi dién tich electron = 1.6 x 10 C

L,> H,: dO linh dong cua electron tự do và 16 trong (m2/Vs)

va, V„: vận tộc electron tu do va 16 trong, (m/s)

p

Trang 20

3 Mat d6 dong tong cong;

4 Dong tông cộng trong thanh bán dẫn

Trang 22

3 J=I, +I, =0.672+ 0.24 = 0.912 A/m?

4 Tiét dién ngang của thanh là :

(20.10-3m) (20.10m)= 4.10 m2

Dòng điện: I=J.S=(0.912 A/m’).(4x10~ m*) = 0.365 mA

Trang 23

Một số lưu ý

- Điện trở có thể được tính băng cách dùng công thức:

I R=0—

Trang 24

Vi du 1-2

1 Tính điện dẫn suất và điện trở suât của thanh bán

dẫn trong ví dụ 1-1

2 Dùng kết quả của câu 1 để tìm dòng trong thanh

bán dẫn khi điện áp trên hai đầu của thanh là 12V

Trang 26

1.3.3 Dong khuéch tan

- Nếu như trong bán dẫn có sự chênh lệch mật độ hạt dẫn thì các hạt dẫn sẽ có khuynh hướng di chuyền từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi có mật độ hạt dẫn thấp hơn nhằm cân băng mật độ hạt dẫn

- Quá trình di chuyển này sinh ra một dòng điện bên trong bán dẫn Dòng điện này được gọi là dong khuếch tan (diffusion current)

Trang 27

- Dong khuéch tán có tính chat qua độ (thời gian tôn tại ngăn) trừ khi sự chênh lệch mật độ được duy trì trong bán dẫn

1.3 Bán dẫn loại P va bán dẫn loại N

- Trong ban dan thuan hay còn goi la ban dan nội tại (intrinsic semiconductor) co mat do electron tu do bang với mật độ lỗ trông

Trang 28

- Trong thực tế, người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trồng hoặc vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ trồng lớn hơn mật

Trang 29

Cách thức tạo ra bản dân loại N

- Người ta đặt vào bên trong bán dẫn thuan một

nguyên tư tạp chất có 5 điện tư ở lớp ngoài cùng

- Nó sẽ dùng 4 điện tư để tạo liên kết hóa trị thông

thường, vì vậy điện tư còn lại sẽ có liên kết rất yếu đối

với hạt nhân nguyên tư va dễ dàng trơ thành điện tư

tự do

- Khi đưa vào một lượng lớn tạp chất vào thi số lượng electron tự do sẽ càng nhiêu va bán dẫn được gọi là bán dẫn loại N

- Nguyên tử tạp chất lúc này được gọi là nguyên tử tạp

chất cho (donor) Các vật liệu được sử dụng như tạp chất cho donor thông thường là antimony, arsenic, phosphorus

Trang 30

Cau tric tinh thé bán dẫn chứa một nguyên tie donor

Hat nhan cua donor ky hiéu la D

Trang 31

Cách thức tạo ra bán dẫn loại P

- Bán dẫn loại P cũng được tạo ra băng cách đưa vào

bán dân thuần một tạp chât có 3 điện tư ở lớp ngoài

củng

- Vì vậy, trong cầu trúc tỉnh thể bán dẫn xảy ra sự

thieu electron va khong du dé tao lién két hoa tri, do

do sé xuat hién 10 trồng bên trong bán dân Càng có

nhiêu tạp chat thi sẽ có nhiều lỗ trồng, chính là bán

Trang 32

Cau tric tinh thé bán dẫn có chứa một nguyên tử accepfor

Trang 33

Nhận xét

- Trong vật liệu bán dẫn loại NÑ, mặc dù sô lượng

electron tự do nhiêu hơn hăn so với lỗ trồng nhưng

lô trông vần tôn tại trong ban dan

- Lượng tạp chất donor càng lớn, mật độ electron tự

do càng cao và càng chiêm ưu thê so với lượng lô

trồng

- Do đó, trong bán dẫn loại Ñ, electron tự do được

oi la hat dan da số (hoặc hạt dần chủ yêu), lỗ trồng được gọi là ø dân thiêu số (hoặc hạt dần thứ yêu)

Trang 34

- Một mỗi quan hé quan trong giira mat d6 electron

và mật độ lỗ trồng trong hâu hết các bán dẫn trong thực tế là:

Trang 35

Vi du 1-3

Mot thanh silicon cé6 mat d6 electron trong ban dan

thuần là 1.4x10!5 electron/m° bị kích thích bởi các

nguyên tử tạp chất cho đến khi mật độ lỗ trông là 8.5x102! lỗ trông/m3 Độ linh động của electron và lỗ

trồng là t„=0.14m2/Vs và tị =0.05m2/Vs

1 Tìm mật độ electron trong ban dan da pha tạp

chat

2 Ban dan 1a loai N hay loai P?

3 Tìm độ dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất

Trang 37

Trang 38

- - Dién trudng nay gay ra

= => voi dong khuech tan con

+ &— vùng nghèo ool la dong nguoc

- O trang thai cin bang, dong khuéch tan bang voi dòng trồi

- Nói cách khác, dòng tổng đi qua tiếp xúc PN lúc này

băng không

Trang 39

- Hiệu điện thể tôn tại ở hai bên chuyền tiếp được gọi là

hiéu dién thé hang rao (barrier)

N,: nong đồ tạp chất aceptor trong ban dan loại P

Np: nong đồ tạp chất donor trong ban dẫn loại N

n,: mật đô hạt dẫn trong bán dẫn thuần

Trang 40

- Dé thé hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thê vào

nhiệt độ, người ta đưa ra khái niệm điện thể nhiệt:

Trang 41

Vi du 1-4

Một chuyền tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn

loại P có 1022 acceptor/m và bán dẫn loại Ñ

có 1.2 x 102! donor/m° Tìm điện thế nhiệt và điện thế hàng rào tại 25°C Cho n, = 1.5 x 10

16 eleetron/m

Trang 43

1.5 Phân cực chuyển tiếp PN

- Chuyển tiếp PN có thể được phân cực bằng cách dùng một nguôn điện áp đặt lên hai đầu của chuyên

Neuon áp phân cực thuận chuyển tiếp PN

GV: Lê Thị Kim Anh

Trang 44

- Khi chuyén tiếp PN được phân cực thuận:

+ Điện thể hàng rào giảm xuống —> vùng nghèo

Trang 45

Biểu thức dòng điện qua chuyển tiếp PN (biểu thức

V: dién ap phan cuc (V)

lo (lạ): dòng ngược bảo hòa (A)

1: hé s6 phat (là hàm của V, phụ thuộc vào vật

liệu; l<n<2)

V„: điện thể nhiệt (V)

Trang 46

Dac tuyén Volt-Ampe 7

Trang 47

1.6 Danh thing chuyén tiép PN

Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng: nhiệt va điện

- Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng nghèo hạt dẫn

(Dòng I tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10 “C)

- Đánh thủng về điện được phân làm 2 loại: đá? thủng thác Iu (avalanching) va đánh thủng xuyên hâm (tunnel)

Trang 48

- Đánh thing thac lu xay ra trong các chuyển tiếp P-N

có bề day lớn, điện trường trong vùng nghèo có trị số kha lớn Điện trường này gia tốc cho các hạt dẫn, gây

ra hiện tượng ion hóa va chạm làm sản sinh những

đôi điện tử-lỗ trồng Các hạt dẫn vừa sinh ra này lại tiếp tục được gia tốc va ion hóa các nguyên tư khác

làm số lượng hạt dẫn tăng cao, do đo dòng điện sẽ

tăng vọt

Trang 49

- Dénh thing xuyén ham xảy ra ở những vùng nghèo tương đối hẹp, tức là chuyển tiếp của những bán dẫn

có nông đô N., N, rất lớn Điện trường trong vùng nghèo rất lớn, có kha năng øây ra hiệu ứng “xuyên

hầm”, tức là điện tư trong vùng hóa trị của bán dẫn P

có kha năng chui qua hàng rào thể để chạy sang vùng dẫn của bán dẫn N, làm cho dòng điện tăng vot

Trang 50

- Biên độ của dòng ngược khi V xấp xi Vụụ

(breakdown voltage) có thé được tính bằng biểu thức

Trang 51

Quan he cua diode cho thay Sự gia tăng của nhiệt

sự gia tăng đột ngột của độ làm cho đặc tuyên

dong khi ap gan den điện dp dich sang trai

danh thung

Trang 52

Vi du I-5

dén 100 °C

Mot diode silicon có dòng bão hòa la 0.1 pA ở 20°C

Tim dòng điện qua nó khi được phần cực thuận ở 0.55SV Tìm dòng trong diode khi nhiệt độ tăng lên

Tiêu đề	Giới Thiệu Về Bán Dẫn
Người hướng dẫn	Lờ Thị Kim Anh
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	Chưa rõ
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	1,22 MB